本發(fā)明屬于生產(chǎn)工藝改進(jìn)、多軸機(jī)械系統(tǒng)控制、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域，特別涉及一種多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

目前，我國(guó)已成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，而人口結(jié)構(gòu)變化、技術(shù)進(jìn)步和政策加持等因素驅(qū)動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。我國(guó)連續(xù)三年穩(wěn)居全球銷(xiāo)售國(guó)第一，對(duì)比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人密度普遍水平200 臺(tái)/萬(wàn)名工人，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人存量較當(dāng)前仍有近5 倍的增量空間。我國(guó)人口結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)已現(xiàn)，隨著技術(shù)進(jìn)步和國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策不斷加持，未來(lái)5-10年將呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)保有工業(yè)機(jī)器人數(shù)量將持續(xù)增加。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的使用量必然會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)升高趨勢(shì)，但是機(jī)器人行業(yè)內(nèi)部核心技術(shù)被外企所壟斷。通過(guò)在企業(yè)的實(shí)際經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的多軸機(jī)械系統(tǒng)使用方面存在問(wèn)題，目前在切割行業(yè)中，由于機(jī)器人本體機(jī)械缺陷導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法完成完美的小圓等精確切割路徑繪制，工業(yè)機(jī)器人公司提供的基礎(chǔ)編程方式無(wú)法解決行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中精確路徑規(guī)劃，而工業(yè)機(jī)器人公司提供的解決方案是購(gòu)買(mǎi)切割選項(xiàng)包等選件。這些選件價(jià)格較貴，通常企業(yè)不愿意再支出這樣的經(jīng)費(fèi)，但是又必須購(gòu)買(mǎi)，因?yàn)橹荒芡ㄟ^(guò)購(gòu)買(mǎi)切割選項(xiàng)包進(jìn)行程序路徑優(yōu)化，才能讓機(jī)器人生產(chǎn)達(dá)到實(shí)際工藝要求，故企業(yè)整體處在“被”購(gòu)買(mǎi)的狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供本發(fā)明技術(shù)方案：一種多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，其具備普遍的適用性，能夠提供高精度的運(yùn)動(dòng)路徑。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，其特征在于：具體方法包括以下步驟：

步驟一：獲取信息，獲取實(shí)際使用的多軸機(jī)械系統(tǒng)種類(lèi)型號(hào)、工具參數(shù)、工件參數(shù)、工作環(huán)境情況與工藝要求；

步驟二：?jiǎn)栴}處理，基于已獲得信息，分析精確路徑由弧線、圓、半圓、直線及折線的基礎(chǔ)線條組合而成，并按照不同線條選取基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理與算法模型，運(yùn)用多軸機(jī)械系統(tǒng)所提供的基礎(chǔ)編程方式，移植數(shù)學(xué)原理與算法，即將選取的數(shù)學(xué)原理與算法轉(zhuǎn)換為多軸機(jī)械系統(tǒng)能夠識(shí)別的程序算法；

步驟三：實(shí)際應(yīng)用，將多軸機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，對(duì)存在缺陷位置再優(yōu)化，最終形成滿足企業(yè)需求的多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃程序算法。

本發(fā)明所述的多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，其所述步驟二中的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理與算法模型包括：

A、直線：Y=KX+B

B、圓：X*X+Y*Y=R*R

其中，Y為二維空間下Y坐標(biāo)，X為二維空間下X坐標(biāo)，R為圓的半徑，K為直線斜率；

所述多軸機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路徑的任何線段均可認(rèn)為是直線和圓弧所構(gòu)成，故將上述兩個(gè)公式作為程序算法形成的基礎(chǔ)，所述多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法以基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)原理與模型作為切入點(diǎn)，將復(fù)雜的計(jì)算簡(jiǎn)化到二維空間上進(jìn)行解決，獲得解決方案后再逐步上升到三維空間以及向量的計(jì)算，微積分計(jì)算，程序算法更是由矢量、矩陣、微積分、三維乃至多維度計(jì)算得來(lái)。

本發(fā)明所述的多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，其所述步驟二中的基礎(chǔ)編程方式包括：多軸機(jī)械系統(tǒng)廠商所提供的編程方式與語(yǔ)言、PLC所提供的運(yùn)動(dòng)控制編程方式以及運(yùn)動(dòng)軸卡所提供的運(yùn)動(dòng)控制編程方式。

本發(fā)明所述的多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，其在所述步驟三中，多軸機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試時(shí)，尋找多軸機(jī)械系統(tǒng)的最佳姿態(tài)數(shù)據(jù)，減少姿態(tài)更換頻率，在姿態(tài)變化過(guò)程中不進(jìn)行產(chǎn)品加工，使多個(gè)軸配合保證運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡。

本發(fā)明通過(guò)對(duì)多軸機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路徑的分析，選取基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理與算法模型，并基于多軸機(jī)械系統(tǒng)所提供的基礎(chǔ)編程方式編寫(xiě)程序算法，保證算法的可移植性，通過(guò)將多軸機(jī)械系統(tǒng)自身攜帶的編程語(yǔ)言和選取的算法原理相結(jié)合，在保證程序的精確可到達(dá)性的同時(shí)也滿足了算法的可移植性，適用于普遍的多軸機(jī)械系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1是未使用本發(fā)明的精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法時(shí)工具運(yùn)動(dòng)理論路徑。

圖2是未使用本發(fā)明的精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法時(shí)工具抖動(dòng)后運(yùn)動(dòng)路徑。

圖3是未使用本發(fā)明的精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法時(shí)可能出現(xiàn)路徑。

圖4和圖5是使用了本發(fā)明的精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法時(shí)工具運(yùn)動(dòng)理論路徑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例：一種多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法，具體方法包括以下步驟：

步驟一：獲取信息，獲取實(shí)際使用的多軸機(jī)械系統(tǒng)種類(lèi)型號(hào)、工具參數(shù)、工件參數(shù)、工作環(huán)境情況與工藝要求。分析當(dāng)前路徑不滿足工藝要求的原因，并考慮通過(guò)什么樣的方法解決。

其中，多軸機(jī)械系統(tǒng)種類(lèi)型號(hào)，例如ABB公司6軸工業(yè)機(jī)器人IRB 120。

工具種類(lèi)型號(hào)，例如IPG激光發(fā)生器、lasemech激光三維切割頭。

工件具體參數(shù)，例如材質(zhì)，厚度，大小等。

工作環(huán)境情況，例如加工方式，安裝環(huán)境等。

工藝要求，例如切割圓大小，切割端面粗糙度等。

切割參數(shù)，例如切割氣體，切割氣壓，切割速度等。

步驟二：?jiǎn)栴}處理，基于已獲得信息，分析精確路徑由弧線、圓、半圓、直線及折線的基礎(chǔ)線條組合而成，并按照不同線條選取基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理與算法模型，運(yùn)用多軸機(jī)械系統(tǒng)所提供的基礎(chǔ)編程方式，移植數(shù)學(xué)原理與算法，即將選取的數(shù)學(xué)原理與算法轉(zhuǎn)換為多軸機(jī)械系統(tǒng)能夠識(shí)別的程序。

其中，所述基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理與算法模型包括：

A、直線：Y=KX+B

B、圓：X*X+Y*Y=R*R

其中，Y為二維空間下Y坐標(biāo)，X為二維空間下X坐標(biāo)，R為圓的半徑，K為直線斜率；

所述多軸機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路徑的任何線段均可認(rèn)為是直線和圓弧所構(gòu)成，故將上述兩個(gè)公式作為程序算法形成的基礎(chǔ)，所述多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方法以基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)原理與模型作為切入點(diǎn)，將復(fù)雜的計(jì)算簡(jiǎn)化到二維空間上進(jìn)行解決，獲得解決方案后再逐步上升到三維空間以及向量的計(jì)算，微積分計(jì)算，程序算法更是由矢量、矩陣、微積分、三維乃至多維度計(jì)算得來(lái)。

所述基礎(chǔ)編程方式包括：

多軸機(jī)械系統(tǒng)廠商所提供的編程方式與語(yǔ)言，例如ABB公司提供的RAPID編程方式，EPSON公司提供RC+\SPEL+編程方式。

PLC所提供的運(yùn)動(dòng)控制編程方式，例如信捷PLC所提供的多軸協(xié)調(diào)控制，運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)等控制編程方式。

運(yùn)動(dòng)軸卡所提供的運(yùn)動(dòng)控制編程方式，例如固高科技公司所提供的多軸控制軸卡的多軸協(xié)調(diào)控制編程方式。

步驟三：實(shí)際應(yīng)用，將多軸機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，對(duì)存在缺陷位置再優(yōu)化，最終形成滿足企業(yè)需求的多軸機(jī)械系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃程序算法。

其中，缺陷主要存在于三維空間路徑線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于多軸配合導(dǎo)致末端工作姿態(tài)不停變化，工具末端產(chǎn)生輕微晃動(dòng)，而由于TCP點(diǎn)的具體情況，將誤差不同原因放大，最終使產(chǎn)品具有缺陷。

故多軸機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試時(shí)，尋找多軸機(jī)械系統(tǒng)的最佳姿態(tài)數(shù)據(jù)，減少姿態(tài)更換頻率，在姿態(tài)變化過(guò)程中不進(jìn)行產(chǎn)品加工，使多個(gè)軸配合保證運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡。

本發(fā)明中計(jì)算所得點(diǎn)的數(shù)量越多，精度越高，但系統(tǒng)運(yùn)行速度降低；計(jì)算所得點(diǎn)的數(shù)量越少，精度越低，但系統(tǒng)運(yùn)行速度可以保證。故實(shí)際計(jì)算所得點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境與工藝要求而定一個(gè)范圍。

路徑是由一個(gè)個(gè)點(diǎn)組成的，所以在基于基礎(chǔ)編程方式上進(jìn)行更精確的點(diǎn)規(guī)劃，特別是細(xì)小圖形的中的線條，更應(yīng)該做到點(diǎn)位的細(xì)致入微。甚至要考慮到工作過(guò)程中的抖動(dòng)等其他因素的影響，才能夠做出一份完美的路徑規(guī)劃程序。整個(gè)程序的設(shè)計(jì)首先從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，不斷的將問(wèn)題細(xì)化小化，并不斷的抓住關(guān)鍵問(wèn)題點(diǎn)，再向下不斷的細(xì)化，最后把握住整個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵所在，通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)再逐步的搭建程序體系，完成整個(gè)程序算法編寫(xiě)。

本發(fā)明具體的設(shè)計(jì)方案示例：

1、解決的問(wèn)題是：工業(yè)機(jī)器人在激光切割中三維空間的圓形切割路徑與組合路徑精確運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。

2、使用的設(shè)備是：ABB公司IRB2400_10_150_02（無(wú)切割選項(xiàng)包），IPG公司激光發(fā)生器YLS-2000，lasemech_Finekerf激光三維切割頭。

3、切割的工件是：2.5mm厚45號(hào)鋼，經(jīng)沖壓成型呈彎曲管道狀。

4、切割的難點(diǎn)是：（1）φ10和φ20的圓形切割；（2）管道處徑向端面三維面切割。

5、路徑規(guī)劃程序：

（1）將圓按照工藝要求，對(duì)φ10的圓進(jìn)行420份等分，獲取420個(gè)點(diǎn)，通過(guò)確定圓心位置，最后通過(guò)圓的標(biāo)準(zhǔn)方程計(jì)算出空間中的420個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到控制器中的位置數(shù)據(jù)中去，最后執(zhí)行。

（2）將圓按照工藝要求，對(duì)φ20的圓進(jìn)行180份等分，獲取180個(gè)點(diǎn)，通過(guò)確定圓心位置，最后通過(guò)圓的標(biāo)準(zhǔn)方程計(jì)算出空間中的180個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到控制器中的位置數(shù)據(jù)中去，最后執(zhí)行。

（3）彎管徑向端面切割，將整個(gè)路徑劃分成直線段，曲線段，并分別采集各段上至少四至五點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比模型數(shù)據(jù)再次對(duì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度進(jìn)行判斷，后通過(guò)軟件獲得線段數(shù)學(xué)模型，再按照offs偏移指令，對(duì)個(gè)線段中個(gè)點(diǎn)進(jìn)行偏移示教處理，根據(jù)線段長(zhǎng)度和要求精度，合理安排點(diǎn)的個(gè)數(shù)。其中，直線部分通常采用不超過(guò)三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理，并保證姿態(tài)的一致性，曲線部分，按照恒定距離內(nèi)彎曲程度合理配置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果點(diǎn)少了還需要進(jìn)行插補(bǔ)。

6、程序再優(yōu)化：在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，合理配置過(guò)渡路徑，防止在工作過(guò)程中出現(xiàn)姿態(tài)大幅度變化，對(duì)程序進(jìn)行多次測(cè)試，保證程序不會(huì)因?yàn)槎褩５仍虺霈F(xiàn)錯(cuò)誤，通過(guò)程序優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。